JP2004359495A - エピタキシャル膜用アルミナ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル膜を形成する下地として適した多結晶アルミナを提供する。
【解決手段】エピタキシャル膜を形成するための下地として使用可能なエピタキシャル膜用アルミナ基板１を提供する。基板１のＸ線回折測定による全軸配向度が５０％以上である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル膜を形成するための下地として使用可能なアルミナ基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、様々な色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増大している。ＬＥＤとしては、これまで、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などで、赤色から黄緑色までのＬＥＤが実用化され、特に表示用として様々な用途に用いられてきた。近年、ＧａＮ系において青色、緑色のＬＥＤが実現されたことから、ＬＥＤでほぼ全色がでそろい、全ての色で表示ができるようになった他、フルカラーディスプレイも実現できるようになった。例えば特許文献１では、サファイア基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる。
【特許文献１】
特開平５−６３２３６号公報
【０００３】特許文献２には、直線透過率が高い高圧放電灯用のアルミナ多結晶体が記載されている。この多結晶体は、三斜晶、単斜晶、斜方晶、正方晶、三方晶又は六方晶の結晶構造を有しており、結晶の平均粒径が５μｍ以上、５０μｍ以下であり、直線透過率が８％以上である。
【特許文献２】
特開２００２−２９３６０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、ＧａＮなどの半導体膜をエピタキシャル成長させるための基板として、サファイア基板の代わりに多結晶アルミナ基板を使用することを検討した。エピタキシャル膜に適した多結晶アルミナ基板は従来検討されてきていない。
【０００５】本発明の課題は、エピタキシャル膜を形成する下地として適した多結晶アルミナ基板を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、エピタキシャル膜を形成するための下地として使用可能なアルミナ基板であって、基板の全軸配向度が５０％以上であることを特徴とする。
【０００７】本発明者は、このような全軸配向度を有する多結晶アルミナ基板であれば、エピタキシャル膜成長が可能であることを見いだし、本発明に到達した。
【０００８】多結晶アルミナ基板の全軸配向度について、図１に示すような多結晶アルミナ基板１を参照しつつ説明する。
（１） 無配向の多結晶アルミナ（α−アルミナ）のＸ線回折チャートを得、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の各ピーク強度を基準値として得る。各ピーク強度をＩ（Ａ：無配向）、Ｉ（Ｂ：無配向）、Ｉ（Ｃ：無配向）とする。
（２） 次に、多結晶アルミナ平板からなる試料１を準備する（図１参照）。この基板１の主面１ｃはＣ軸配向しているものとする。この主面１ｃに向かって矢印ＣのようにＸ線を照射し、Ｘ線回折チャートを得る。この際、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の各ピーク強度を、Ｉ（Ａ：Ｃ面）、Ｉ（Ｂ：Ｃ面）、Ｉ（Ｃ：Ｃ面）とする。
試料１において、Ｃ面配向が進めば進むほど、Ｃ軸ピーク強度Ｉ（Ｃ：Ｃ面）が大きくなり、Ａ、Ｂ両軸ピーク強度Ｉ（Ａ：Ｃ面）、Ｉ（Ｂ：Ｃ面）は同様の比率で低下する。
（３） また、試料のＣ面１ｃとは略垂直な面１ａに向かって矢印ＡのようにＸ線を照射し、Ｘ線回折チャートを得る。この際、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の各ピーク強度を、Ｉ（Ａ：Ａ面）、Ｉ（Ｂ：Ａ面）、Ｉ（Ｃ：Ａ面）とする。
試料１のａ面においては、Ａ軸ピーク強度Ｉ（Ａ：Ａ面）がＩ（Ａ：Ｃ面）よりも大きくなり、Ｂ軸、Ｃ軸ピーク強度Ｉ（Ｂ：Ａ面）、Ｉ（Ｃ：Ａ面）がＩ（Ｂ：Ｃ面）、Ｉ（Ｃ：Ｃ面）に比べて低下するはずである。
（４） 完全配向時は、Ｃ面１ａではＡ、Ｂ軸ピーク強度Ｉ（Ａ：Ｃ面）、Ｉ（Ｂ：Ｃ面）は０となる。また、完全配向時は、Ａ面１ａでは、Ｂ軸、Ｃ軸ピーク強度Ｉ（Ｂ：Ａ面）、Ｉ（Ｃ：Ａ面）は０となる。
（５） Ｃ面１ｃでのＡ軸ピーク強度Ｉ（Ａ：Ｃ面）の無配向時のピーク強度に対する比率Ｉ（Ａ：Ｃ面）／Ｉ（Ａ：無配向）を百分率比として算出する。
Ｃ面配向度は、以下の式により算出される。
Ｃ面配向度（％）＝１００（１−Ｉ（Ａ：Ｃ面）／Ｉ（Ａ：無配向））
例えばＣ面配向平面１ｃでのＡ軸ピーク強度Ｉ（Ａ：Ｃ面）の無配向時のピーク強度に対する比率Ｉ（Ａ：Ｃ面）／Ｉ（Ａ：無配向）が３０％である場合には、Ｃ面配向度は１００−３０＝７０％である。
（６） また、Ａ面配向度は、以下の式により算出される。
Ａ面配向平面１ａでのＢ軸ピーク強度Ｉ（Ｂ：Ａ面）の無配向時のピーク強度に対する比率Ｉ（Ｂ：Ａ面）／Ｉ（Ｂ：無配向）を百分率比として算出する。
Ａ面配向度は、以下の式により算出される。
Ａ面配向度（％）＝１００（１−Ｉ（Ｂ：Ａ面）／Ｉ（Ｂ：無配向））
例えばＡ面配向平面１ａでのＢ軸ピーク強度Ｉ（Ｂ：Ａ面）の無配向時のピーク強度に対する比率Ｉ（Ｂ：Ａ面）／Ｉ（Ａ：無配向）が５０％である場合には、Ａ面配向度は１００−５０＝５０％である。
（７） Ａ面配向度（％）とＣ面配向度（％）とのうち低い方の値を全軸配向度とする。
上述の例では、Ｃ面配向度＝７０％であり、Ａ面配向度＝５０％である。従って、全軸配向度は５０％である。
Ｘ線回折チャートは、以下の条件で測定する。
ＣｕＫα、５０ｋＶ、３００ｍＡ 、２ θ＝１０〜７０°
回転対陰極型Ｘ 線回折装置「理学電機製「ＲＩＮＴ」」
【０００９】
【発明の実施の形態】図２は、本発明によるアルミナ多結晶体の製造工程のフローチャートである。まず、α−アルミナ粉末に対して、適当な助剤や添加剤を添加し、混練物を得る。この際、助剤としては、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、希土類酸化物を例示できる。また、添加剤としては、例えばポリカルボン酸アンモニウムなどの分散剤を例示できる。これらの混合物をポットミルなどで解砕、混合する。次いで、混合物を混練し、例えば押し出し成形用のスラリーを得る。
【００１０】この際、原料混合物中には、アルミナ源として、平板状のアルミナ粒子２（図３参照）を添加することが好ましい。この粒子２の最長辺の長さをｘまたはｙとし、厚さをｚとしたとき、粒子の配向を促進する上で、ｘ（またはｙ）／ｚは、１０以上であることが好ましく、２０以上であることが更に好ましい。
【００１１】押し出し成形時には、図２に示すように、混練物を複数回スリットに通すことが、アルミナ粒子の配向を促進するという観点から好ましい。この際には、一度目に通すスリットの開口の向きと、二度目に通すスリットの開口の向きとが異なることが好ましく、略垂直であることが一層好ましい。
【００１２】例えば、一回目に通すスリットは、図４（ａ）に示すスリット３のように、略水平方向に伸びる多数の開口３ａを設けた形状とする。また、二回目に通すスリットは、図４（ｂ）に示すスリット４のように、略垂直方向に伸びる多数の開口４ａを設けた形状とする。一回目にスリット４を通し、二回目にスリット３を通すこともできる。
【００１３】次いで、成形体を場合によってはスライスし、脱脂または仮焼し、焼結する。脱脂または仮焼時の条件は特に限定されない。
焼結工程においては、アルミナ成形体表面領域の助剤、例えばＭｇＯの蒸発を促進することによって、アルミナ粒子の粒成長を促進し、特に基板の表面領域において、単結晶部分の面積を増大させることができる。
【００１４】具体的には、連続還元雰囲気炉（Ｈ_２：Ｎ_２＝６０〜４０：１００〜０：ｍｏｌ比）において、焼成する際、成形体の製品間隔を６０ｍｍ以上とすることで、成形体表面上のＭｇＯ蒸気分圧を下げ、ＭｇＯの蒸発を促進することができる。これによって、例えば、焼結体表面において、１ｃｍ^２当りの表面粒子数を２個程度とできる。
【００１５】焼成温度は特に限定されないが、通常は１７００〜１９５０℃である。
【００１６】多結晶アルミナ基板上のエピタキシャル膜の形成方法は限定されない。例えば、エピタキシャル膜は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法 （ＨＶＰＥ法）などのＣＶＤ成長方法や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）によって成膜できる。
【００１７】また、エピタキシャル膜の材質としてはＧａＮ、ＩｎＧａＮを例示できる。
【００１８】
【実施例】（実施例１）
図２に示すフローチャートに従い、多結晶アルミナ基板を製造した。ただし、高純度で配向した平板状のアルミナ粒子２（図３参照：最長部の平均粒径５μｍ）３０重量％、および通常の粒形状で平均粒径０．６μｍのアルミナ粒子７０重量％を配合し、酸化マグネシウム７５０ｐｐｍ、メチルセルロース４重量％、ポリエチレンオキサイド２重量％、ステアリン酸５重量％、水２３重量％を混合し、混合物をニーダーで２０分混練する。
【００１９】この混合物を押出成形装置に圧入し、最初に図４（ａ）に示すようなスリット３に通した。スリット３においては、開口３ａは略水平方向に伸びており、開口のピッチＰ１は２ｍｍであり、各開口３ａの幅Ｔ１は１ｍｍである。そして、スリット３の寸法は、幅１０ｃｍ、高さ１０ｃｍ、長さ１０ｃｍであった。スリット数は５０であり、開口部面積５０ｃｍ^２であった。
【００２０】次いで、混練物を長さ５ｃｍのジョイントに通し、図４（ｂ）に示すスリット４に通す。スリット４においては、開口４ａは略垂直方向に伸びており、開口のピッチＰ２は２ｍｍであり、各開口４ａの幅Ｔ２は１ｍｍである。そして、スリット４の寸法は、幅１０ｃｍ、高さ１０ｃｍ、長さ１０ｃｍであった。スリット数は５０であり、開口部面積は５０ｃｍ^２であった。
【００２１】次いで、この混練物を押し出し、適宜スライス等行い、幅９ｃｍ×厚さ１ｍｍのシート状成形体を得る。この成形体を１２００℃で脱脂し、還元性雰囲気（Ｈ_２：Ｎ_２＝７５：２５：ｍｏｌ比）で１８５０℃で４時間焼成し、多結晶アルミナを得る。
【００２２】ここで、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．３：０．０３とした。また、得られた基板の全軸配向度は９０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜可能であった。
【００２３】（実施例２）
実施例１と同様にして多結晶アルミナ基板１を製造した。ただし、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．１：０．０３とした。また、得られた基板の全軸配向度は５０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜可能であった。
【００２４】（実施例３）
実施例１と同様にして多結晶アルミナ基板１を製造した。ただし、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．６：０．０３とした。また、得られた基板の全軸配向度は７０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜可能であった。
【００２５】（比較例１）
実施例１と同様にして多結晶アルミナ基板１を製造した。ただし、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．３：０．０７とした。また、得られた基板の全軸配向度は４０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜することはできなかった。
【００２６】（比較例２）
実施例１と同様にして多結晶アルミナ基板１を製造した。ただし、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．１：０．０００６とした。また、得られた基板の全軸配向度は４０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜することはできなかった。
【００２７】（実施例５）
高純度で配向した平板状のアルミナ粒子２（図３参照：最長部の平均粒径５μｍ）３０重量％、および通常の粒形状で平均粒径０．６μｍのアルミナ粒子７０重量％とを配合し、酸化マグネシウム７５０ｐｐｍ、メチルセルロース４重量％、ポリエチレンオキサイド２重量％、ステアリン酸５重量％、水を２３重量％混合し、混合物をニーダーで２０分混練する。
【００２８】この混合物を押出成形装置に圧入し、図４（ａ）に示すようなスリット３に通す。スリット３においては、開口３ａは略水平方向に伸びており、開口のピッチＰ１は２ｍｍであり、各開口３ａの幅Ｔ１は１ｍｍである。そして、スリット３の寸法は、幅１０ｃｍ、高さ１０ｃｍ、長さ１０ｃｍであった。スリット数は５０であり、開口部面積５０ｃｍ^２である。
【００２９】次いで、この混練物を押し出し、幅９ｃｍ×厚さ１ｍｍのシート状成形体を得る。この成形体を１２００℃で脱脂し、還元性雰囲気（Ｈ_２：Ｎ_２＝２５：７５：ｍｏｌ比）で１８５０℃で４時間焼成し、多結晶アルミナ基板１を得る。
【００３０】ここで、図３において、ｘ：ｙ：ｚ＝１：０．３：０．０３とした。また、得られた基板の全軸配向度は７０％であった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜可能であった。
【００３１】（比較例３）
実施例５と同様にして多結晶アルミナ基板を製造した。ただし、混練物をスリットに通さなかった。また、ｘ：ｙ：ｚ＝０．３：０．０３とした。得られた基板の全軸配向度は２０％となった。
この基板のＣ面上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤによって成膜することはできなかった。
【００３２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、エピタキシャル膜を形成する下地として適した多結晶アルミナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多結晶アルミナ基板１を示す正面図である。
【図２】多結晶アルミナ１の製造プロセス例を示すフローチャートである。
【図３】原料の平板状アルミナ粒子を模式的に示す斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、押し出し形成時に使用可能なスリット３、４のパターン例を示す正面図である。
【符号の説明】１ 多結晶アルミナ基板 １ａ Ａ面 １ｃ Ｃ面
２ 原料となる平板状アルミナ粒子 ３、４ スリット

Claims (2)

1. エピタキシャル膜を形成するための下地として使用可能なアルミナ基板であって、
   前記基板の全軸配向度が５０％以上であることを特徴とする、アルミナ基板。
2. 酸化マグネシウムを含有することを特徴とする、請求項１記載のアルミナ基板。

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